[发明专利]一种简化的MEMS多环谐振陀螺自适应闭环控制方法

说明书

本发明公开了一种针对硅微机械多环谐振陀螺的简化的自适应闭环控制方法，属于微机电系统设计领域。该方法使用一个带有积分器及变带宽高通滤波器的自适应控制单元作为陀螺敏感模态闭环控制器，避免了由于调制解调信号引起的相位误差，消除了由于温度变化而引起陀螺仪固有频率发生变化导致的系统稳定性降低；控制器将敏感模态位移信号转换成与哥氏力反相的反馈信号，通过检测反馈信号的大小确定角速度。同时，反馈力反馈至陀螺敏感模态，抑制由哥氏力和外部激扰力引起的陀螺敏感模态振荡，提高陀螺仪系统的稳定性。

技术领域

本发明涉及一种针对硅微机械多环谐振陀螺的简化的自适应闭环控制方法，属于微机电系统设计领域。

背景技术

陀螺仪是一种用来测量物体旋转角速率的惯性器件，在导航制导、深空探测、平台稳定控制、汽车工业、消费电子等领域具有重要的应用。

硅微机械多环谐振陀螺由于其高测量精度、超强的稳定性和可靠性、良好的抗冲击振动性及温度性能，逐渐成为近年来硅微机械陀螺仪的研究重点。然而由于硅微机械多环谐振陀螺驱动模态和敏感模态频差较小且品质因数较高的特点，在开环检测时，面对冲击、振动等应用环境，受外部影响较大，且带宽较窄，恶化了陀螺性能。因此，抑制外部环境对敏感模态的影响、扩展其工作带宽对提升多环谐振陀螺具有重要意义。为了实现多环谐振陀螺的带宽扩展及提升陀螺精度，近年来也出现了一些针对多环谐振陀螺的敏感模态闭环控制方法。文献“Half-A-Month Stable 0.2 Degree-Per-Hour Mode-Matched MEMSGyroscope”中描述了一种普遍的适用于多环谐振陀螺的敏感模态闭环控制方法。然而，由于这种方法的控制回路中存在多个调制解调模块，系统控制性能严重依赖于调制和解调模块的相位精度，降低了系统稳定性。文献“Pole-Zero Temperature Compensation CircuitDesign and Experiment for Dual-Mass MEMS Gyroscope Bandwidth Expansion”中提出了一种使用零极点补偿控制器完成敏感模态闭环控制的方法，其中，控制器的截止频率选择和陀螺仪的固有频率相关。而硅微机械陀螺仪固有频率极易受温度影响，因此当温度变化时，由于陀螺仪固有频率发生改变而控制器截止频率不变导致系统带宽发生变化，系统稳定性降低。综上所述，为了消除由于调制解调模块而产生的控制系统的相位误差和由于温度变化而引起陀螺仪固有频率发生变化导致的系统稳定性降低，需要提出一种适用于多环谐振陀螺的简化的自适应敏感模态闭环控制系统。

发明内容

本发明提出一种简化的多环谐振陀螺自适应敏感模态闭环控制方法。通过一种带有积分器及变带宽高通滤波器的自适应控制单元，在不使用调制解调模块的前提下，通过实时调整自适应控制单元的控制带宽，完成敏感模态位移信号到反馈信号的转换。根据敏感模态电路控制原理，将敏感模态位移信号引入控制模块中，并经过电信号到反馈力的转换，得到与由陀螺角速度引起的哥氏力呈反相关系的反馈力，并反馈至陀螺敏感模态，抑制了多环谐振陀螺敏感模态的振动，保持了陀螺敏感模态的稳定；并通过检测反馈电压信号的大小，得到陀螺角速度。

本发明提出的简化的多环谐振陀螺自适应敏感模态闭环控制方法原理是：参考图1。

本发明提出的简化的多环谐振陀螺自适应敏感模态闭环控制方法过程为：

首先，多环谐振陀螺系统由陀螺表头、驱动模态电路以及敏感模态电路组成；其中，陀螺表头又由陀螺驱动模态和陀螺敏感模态组成。陀螺驱动模态的检测信号进入驱动电路模块，经过C/V转换1、增益1、移相器、自动增益控制和V/F转换1模块后，生成驱动力，施加到陀螺驱动模态上，激励驱动模态稳幅振动；其中C/V转换1将电容信号转化成电压信号并通过增益1模块后产生电压信号，再将该电压信号通过移相器进行90°相移，接着通过自动增益控制模块产生直流电压V_dc，并将该直流电压与移相器的输出电压相加后通过V/F转换1得到驱动力，加载到陀螺驱动模态实现陀螺驱动模态稳幅振动。